Σπειροειδή (ή ελικοειδή) ελατήρια
banana springs

Σπειροειδή (ή ελικοειδή) ελατήρια

Τα περισσότερα σύγχρονα ελαφρά οχήµατα χρησιµοποιούν σπειροειδή ελατήρια στα συστήµατα ανάρτησης. Το σπειροειδές ελατήριο, γνωστό και ως ελικοειδές ελατήριο, είναι µία µηχανική συσκευή που απορροφά τους κραδασµούς και διατηρεί µία δύναµη µεταξύ των επιφανειών επαφής.

Ο ρόλος των ελατηρίων είναι να φέρουν το βάρος του αυτοκινήτου και να συσπειρώνονται, κατά την πρόσκρουση του τροχού σε ένα εµπόδιο, απορροφώντας ενέργεια, την οποία αποδίδουν επαναφέροντας τον τροχό στην αρχική του θέση.

Παρεµβάλλονται ανάµεσα στις αναρτηµένες και µη αναρτηµένες µάζες του αυτοκινήτου, εξασφαλίζοντας οµαλή οδήγηση, άνεση και ασφάλεια για τους επιβάτες, ενώ παίζουν σηµαντικό ρόλο και στην προστασία των εµπορευµάτων που µεταφέρονται.

Τα σπειροειδή ή ελικοειδή ελατήρια είναι σήµερα ο συνηθέστερος τύπος που χρησιµοποιείται στα αυτοκίνητα.

Κατασκευάζονται από χαλύβδινο σύρµα που έχει περιελιχθεί ελικοειδώς, γι’ αυτό ονοµάζονται και ελικοειδή. Η σκληρότητά τους εξαρτάται από τη διάµετρο του χαλύβδινου σύρµατος, τη διάµετρο του ελατηρίου και τον αριθµό των ελεύθερων σπειρών. Η διατοµή του σύρµατος του ελατηρίου µπορεί να έχει κυκλικό, ορθογώνιο ή τετράγωνο σχήµα.

Κατασκευάζονται από χαλυβοκράµατα µε ποικιλία προσµίξεων, όπως χρώµιο ή πυρίτιο. Για µικρές διαµέτρους σύρµατος, η διαµόρφωσή τους γίνεται εν ψυχρώ, ενώ για µεγαλύτερες διαµέτρους χρησιµοποιείται η µέθοδος εν θερµώ.

Η θερµική επεξεργασία τους περιλαµβάνει βαφή, ώστε να γίνουν ανθεκτικά και να µην είναι εύθραυστα, καθώς και απόψυξη και ανόπτηση, ώστε να αποκτήσουν ελατότητα.

Για προστασία από τη διάβρωση στα ελατήρια γίνεται φωσφάτωση σε συνδυασµό µε ψευδάργυρο και ακολούθως βάφονται µε ηλεκτροστατική βαφή πούδρας, που δεν αποκολλάται κατά την κίνηση του ελατηρίου, είτε φέρουν επικάλυψη από βινύλιο, ώστε να αυξάνει η αντίστασή τους σε οξείδωση και να µειώνεται ο θόρυβος λειτουργίας τους.


Τα σπειροειδή ελατήρια είναι µικρά σε όγκο και ελαφριά σε σχέση µε την ενέργεια που µπορούν να απορροφήσουν. Σε συνδυασµό µε το χαµηλό κόστος κατασκευής τους, έχουν επικρατήσει στην αυτοκινητοβιοµηχανία.

Αυτά που τοποθετούνται σε συστήµατα ανεξάρτητης ανάρτησης συνήθως καταπονούνται µόνο από θλιπτικά φορτία.

Τύποι ελατηρίων

Ο βασικός διαχωρισμός των σπειροειδών ελατηρίων γίνεται σε δύο κατηγορίες:

  • σε αυτά με γραμμική και
  • σε αυτά με μεταβλητή ελαστικότητα.

Ένα ελατήριο λέμε ότι συμπεριφέρεται γραμμικά, όταν διατηρεί τον ίδιο συντελεστή σκληρότητας, όσο και αν συμπιεστεί από κάποιο φορτίο. Για να επιτευχθούν ορισμένα δυναμικά χαρακτηριστικά οδήγησης, είναι χρήσιμο ένα προοδευτικό ελατήριο.

Επιπλέον, τα ελατήρια χωρίζονται σε πολλές κατηγορίες ανάλογα με το σχήμα τους. Με εξαίρεση τα κυλινδρικά ελατήρια σταθερής γεωμετρίας, με σταθερό βήμα, όλα τα υπόλοιπα χαρακτηρίζονται ως μεταβλητής ελαστικότητας.

Κυλινδρικά

Ένα κυλινδρικό ελατήριο μπορεί να σχεδιαστεί για να παρέχει γραμμική μεταβολή της σκληρότητάς του, ή για να δίνει προοδευτική σκληρότητα μεταβάλλοντας το βήμα.


Ένα πλεονέκτηµα των κυλινδρικών ελατηρίων είναι ότι µπορούν εύκολα να κατασκευαστούν.

Το «κλασικό ελατήριο» έχει κεντρικό άξονα συμμετρίας. Χρησιμοποιείται συχνά σε συστήματα ανάρτησης με ανισομεγέθη ψαλίδια ή γόνατα Μακφέρσον. Χρησιμοποιώντας διαφορετικές αποστάσεις περιέλιξης, το ελατήριο αποκτά ένα προοδευτικό χαρακτηριστικό ελατηρίου.

Ένα «απλό» κυλινδρικό σπειροειδές ελατήριο (σταθερής γεωμετρίας) έχει σταθερό συντελεστή σκληρότητας, όλες οι σπείρες του έχουν την ίδια διάμετρο, το ίδιο πάχος σύρματος και το ίδιο βήμα, και η συμπεριφορά του είναι γραμμική.

Το ελάχιστο μήκος που μπορεί να έχει ένα σπειροειδές ελατήριο ορίζεται στο σημείο όπου όλες οι σπείρες ακουμπούν η μία πάνω στην άλλη, μετατρέποντάς το σε συμπαγή κύλινδρο. Για να μην τερματίσει ένα τέτοιο ελατήριο, τοποθετούνται ελαστικά στοπ – τακάκια που δέχονται φορτίο πριν τον τερματισμό και έτσι δίνουν προοδευτικότητα στο ελατήριο κατά τον τερματισμό.

Σήμερα χρησιμοποιούνται σπειροειδή ελατήρια διαφόρων ειδών, πέρα από το συνηθισμένο κυλινδρικό σχήμα. Συχνά συναντάμε ελατήρια κωνικά ή βαρελοειδή ή τύπου μπανάνας, όπως επίσης και ελατήρια που το βήμα των σπειρών τους δεν είναι ομοιόμορφο.

Μεταβλητή σκληρότητα

Στα ελατήρια μεταβλητής γεωμετρίας, αυτό που συνήθως αλλάζει είναι το βήμα μεταξύ των σπειρών. Στις άκρες των ελατηρίων οι σπείρες είναι πιο πυκνά διατεταγμένες, ενώ στο κεντρικό τμήμα απέχουν περισσότερο μεταξύ τους. Κατά τη συμπίεση του ελατηρίου, οι σπείρες με το μικρό διάκενο ακουμπούν μεταξύ τους και μένει να λειτουργεί μόνο το κεντρικό τμήμα του ελατηρίου. Έτσι το ελατήριο γίνεται σκληρότερο.


Ένα προοδευτικό ελατήριο επιτρέπει τη βέλτιστη σκληρότητα, ανάλογα µε τις διαφορετικές συνθήκες που επικρατούν στον δρόµο.

Προοδευτικότητα στο ελατήριο μπορούμε να δώσουμε ξεφεύγοντας από το κυλινδρικό σχήμα. Σε ένα ελατήριο που μπορεί να είναι κωνικό ή οβάλ, οι μεταβολές στην ακτίνα περιέλιξης θα δώσουν προοδευτικότητα στη λειτουργία του.

Κωνικά

Το κωνικό ελατήριο επιλέγεται όταν υπάρχει περιορισμένος διαθέσιμος χώρος για τα ελατήρια σε ένα σύστημα ανάρτησης. Αυτός ο τύπος έχει σήμερα κυρίως ανοιχτά άκρα. Το ελατήριο αυτό μπορεί να έχει γραμμική ή γεωμετρική μεταβολή της σκληρότητάς του.

Τύπου µπανάνας (banana-springs)

Τα ελατήρια πλευρικού φορτίου τύπου μπανάνας, χρησιμοποιούνται συχνά για την αντιστάθμιση των εγκάρσιων δυνάμεων που αναπτύσσονται κυρίως σε αναρτήσεις με γόνατα McPherson.

Πρόκειται για κυλινδρικά ελατήρια που έχουν λυγίσει στην αξονική διεύθυνση. Λόγω του σχήματός τους, μειώνουν τα πλευρικά φορτία στο αμορτισέρ, στα ρουλεμάν και τις τσιμούχες.

Χωρίς φορτίο, υπάρχει συνιστάμενη δύναμη που πιέζει προς τον άξονα του αμορτισέρ. Υπό κάθετο φορτίο, όμως, τα πλευρικά φορτία αντισταθμίζονται με αυτόν τον τρόπο.

Λοξά ελατήρια (C-springs)

Χρησιμοποιούνται συνήθως στον πίσω άξονα και η τροχιά του κινούμενου άκρου τους είναι τοξοειδής (σε τόξο). Αυτά τα ελατήρια συνδυάζονται συνήθως με ελαστικά στοπ, σχηματίζοντας ένα προοδευτικό ελατήριο.

Βαρελοειδή ελατήρια (Mini-block)

Στην πίσω ανάρτηση συχνά χρησιμοποιούνται σπειροειδή ελατήρια με σχήμα βαρελοειδές ή διπλού κώνου, γνωστά με την ονομασία Mini-Block. Αυτά μπορούν να συσπειρωθούν χωρίς να έλθουν σε επαφή οι σπείρες μεταξύ τους, καθώς η μία εισχωρεί μέσα στην άλλη κατά τη συμπίεση.

Ένα βαρελοειδές ελατήριο ή mini-block έχει διαμέτρους σπείρας, προσαρμοσμένες έτσι ώστε, κατά τη συμπίεση, η μία να σπείρα να ταιριάζει στο εσωτερικό της επόμενης και όταν συμπιέζεται το ελατήριο να αποκτά μικρό μήκος, εξ ου και το όνομα mini-block.

Έτσι, όταν είναι συμπιεσμένο, μπορεί να μειώσει το μήκος του σε σχεδόν δύο φορές τη διάμετρο του σύρματος, χωρίς να μειώνεται η ικανότητα φόρτισής του. Το πλεονέκτημα είναι το πολύ μικρό μήκος του ελατηρίου, και επομένως η εξοικονόμηση χώρου. Αυτό μπορεί να είναι πολύτιμο στην πίσω ανάρτηση ενός αυτοκινήτου όταν, για παράδειγμα, απαιτείται επίπεδη επιφάνεια φόρτωσης.

Να σημειωθεί ότι η τοποθέτηση των σπειρών μεταξύ τους επηρεάζεται από τη διάμετρο και δεν εξαρτάται από τον τύπο του υλικού που χρησιμοποιείται ή τη διατομή του.

Διαµόρφωση άκρων

Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τύποι άκρων ελατηρίου: κλειστά, ανοιχτά, µε τετράγωνο άκρο και µε ουρά.

Τα ελατήρια με κλειστό άκρο είναι ο πιο κοινός τύπος ελατηρίου. Σε αυτά, το βήμα του ελατηρίου ελαχιστοποιείται στο άκρο και οι τελευταίες σπείρες βρίσκονται σε επαφή. Τα ελατήρια με κλειστό άκρο εξασφαλίζουν σταθερό ελατήριο. Το μειονέκτημά τους είναι ότι το άκρο μπορεί να σκάψει την παρακείμενη σπείρα και να προκαλέσει πρόωρη αστοχία.

Τα ελατήρια με ανοικτό άκρο (ονομάζονται και Tangential – εφαπτομενικά) χρησιμοποιούνται συχνότερα όταν το ελατήριο θα καθίσει σε πιάτο. Το πλεονέκτημά τους είναι το κέρδος από το κόστος τετραγωνισμού της βάσης.

Τα ελατήρια με τετραγωνισμένο άκρο αποτελούν ένα υποσύνολο των κλειστών ελατηρίων. Το πλεονέκτημά τους είναι πως εξασφαλίζουν την καλύτερη έδραση.

Τα ελατήρια με ουρά (Pigtail) χρησιμοποιούνται εκεί όπου το ελατήριο χρειάζεται να μπορεί να λειτουργήσει και σε εφελκυστικά φορτία.


Η αυτοκινητοβιομηχανία επιζητεί από τους κατασκευαστές ελατηρίων να παράγουν ελαφριά ελατήρια και σε όσο το δυνατόν χαμηλότερες τιμές.

Τα καλύτερα αποτελέσματα σε σχέση με το κόστος τα επιτυγχάνουν τα κυλινδρικά ελατήρια με ανοιχτά άκρα κατασκευασμένα από σύρμα με παράλληλες σπείρες.

Τα κλειστά τετραγωνισμένα ελατήρια με διαμορφωμένη βάση παρέχουν καλύτερα χαρακτηριστικά, όσον αφορά την ελατικότητα, και μπορούν να επιτύχουν περισσότερη απόσβεση ενέργειας ανά κιλό ελατηρίου. Κοστίζουν όμως ακριβότερα.

Η σκληρότητα

Η σκληρότητα των σπειροειδών ελατηρίων μπορεί να υπολογιστεί από την παρακάτω σχέση:

k = G d4 / 8D3 n

όπου:

k: ο συντελεστής του ελατηρίου σε lb/in
d: η διάμετρος του σύρματος από το οποίο κατασκευάζεται το ελατήριο
G: συντελεστής που για το ατσάλι ισούται με G = 12.000.000
n: ο αριθμός των ενεργών σπειρών (ο αριθμός όσων σπειρών δεν πατάνε στη βάση συν 1/2)
D: η διάμετρος του ελατηρίου

(*) με όλες τις διαστάσεις σε ίντσες.

ΤΟΥ ΝΙΚΟΥ ΒΑΣΙΛΑΚΗ

ΔΕΙΤΕ ΑΚΟΜΑ
Εγγραφείτε στο newsletter

Για να λαμβάνετε τα τελευταία νέα, ενημερώσεις και ειδικές προσφορές απευθείας στο email σας.